煤层工作面采空区自燃“三带”划分探讨

文/李文军，淮北矿业股份有限公司童亭煤矿

1 引言

煤炭自燃火灾是矿井常见主要灾害之一。我矿童亭煤矿现在正在回采的工作面有109采区的1098工作面、1011采区10112工作面。其中陈楼块段10煤层的自燃倾向性经鉴定均为Ⅱ类，因而工作面采空区内由于遗煤堆积容易成为安全生产的隐患。

2 研究内容

2.1 主要研究内容

2.1.1 研究煤层煤氧化过程中生成的气体与煤温之间的关系，筛选预报煤层自然发火的标志气体，确定预报临界参数，建立指标气体与煤温的对应关系；

2.1.2 测定工作面采空区内部温度、气体浓度随着工作面推进的变化规律，确定工作面采空区自燃“三带”；

2.2 研究目标

2.2.1 确定煤层层自燃早期预报的指标气体及其预报临界参数；

2.2.2 查明工作面采空区自燃“三带”宽度；

2.2.3 掌握工作面采空区自燃规律。

2.3 技术路线

2.3.1 通过对相邻矿井开采同类煤层的自然发火规律调查，并进行现场调研，分析煤炭自燃的发生规律及其影响因素；

2.3.2 现场采集煤样，通过实验测试研究，对煤层的自然发火危险性、氧化特性和自燃倾向性进行鉴定评价；

2.3.3 研究煤层氧化升温过程中各种气体的生成规律，确定工作面煤自燃预测预报标志气体；

2.3.4 进行工作面采空区自燃“三带”测定，研究采空区自燃规律；

3 研究方法

3.1 “三带”划分指标及方法的确定

目前，确定划分“三带”的指标主要有三种：

①采空区漏风风速V（V>0.24m/min为散热带；0.24≥V≥0.1m/min为自燃带；V＜0.1m/min为自窒息带）；②采空区氧浓度（C）分布（认为C＜6%为窒息带，C≥6%为自燃带或散热带）；煤的氧化反应顺利进行的前提条件是的供氧速度大于耗氧速度，否则则氧化过程将受到抑制；③温度升高速率。在较长的一段时间内采空区遗煤温升速度1℃/d，则为自燃带。

3.2 测试系统简介

3.2.1 测试系统功能设计

本系统主要是通过现场测试的方法研究划分采空区自燃“三带”的参数。系统具有以下功能：

1）测试采空区距工作面不同距离处遗煤温度，研究采空区中煤温随距工作面距离变化规律；2）采集采空区距工作面不同距离处气样，研究采空区中氧气浓度等气体参数随距工作面距离变化规律；3）通过采空区中遗煤温度和氧气浓度随距工作面距离变化规律，确定采空区三带形态和划分方法。

3.2.2 测试方法的选择

采用集成温度传感器AD590对测点的温度进行测定。

在采空区中预埋束管对测点的气体进行定时采集。气样在实验室用气相色谱仪进行分析。

3.2.3 温度测试系统简介

测温系统由温度传感器、导线和测温仪表组成。其中，选用AD590集成温度传感器，其系统工作原理：利用二次仪表电路产生一个与绝对温度成正比的电流输出，作为温度电流转换，该转换器能在4～30V电压范围内工作，相当于一个能产生1μA/K的高阻电流源。

3.2.4 气体测试系统简介

测点的气体通过抽气泵罐装在取样袋中，在井上气体分析室内进行气体成份分析。研究采空区中测点的氧气、瓦斯和CO等气体浓度随着工作面推进的变化规律。

抽气系统与设备主要包括：

1）抽气束管。本次试验所选用的束管为：矿用抗静电阻燃聚乙烯束管，型号:PE-ZKW-8mm×5，抗静电等级:≤1060Ω/m，阻燃性能：有焰燃烧单根≤10s，无焰燃烧单根≤20s；适用于煤矿井下。

束管一端为测点，另一端与抽气泵相连。

束管有不同的颜色。为便于准确地区分测点，安装时将记下通向各测点束管的颜色。

2）抽气泵。井下气样采集仪器用CFZ22（A）型为煤矿井下专用的防爆型气体自动负压采样器，采样器距离技术参数：

3）气相色谱仪。本次对所采集的采空区气体分析仪器采用气相色谱仪。

3.2.5 测试系统的保护

为了防止温度传感器、测温导线及预设气体取样管被采空区冒落的煤岩砸坏，需要在回采工作面以及铺设导线的顺槽内设置保护套管，将测温导线和气体取样管设于保护套管内。

1）顺槽保护套管。顺槽保护套管设在回风顺槽内，可利用原有4〞注浆管或2吋钢管作为测温导线和气体采取管的保护套管。

2）工作面保护套管。工作面保护套管采用2吋钢管，每4m为一节。套管间的连接采用快速接头。

3）采样器及取样管头的保护。为了防止AD590温度传感器被采空区冒落的煤岩砸坏和取样胶管被压实或被粉煤堵塞导致无法抽取气样，应对AD590温度传感器和预设取样管头进行保护。

4）保护管套的位置。为了不干扰正常的工作面生产和运输，保护套管的铺设位置为：

①回风顺槽的保护套管，沿回风顺槽铺设在外侧底部；

②回采工作面的保护套管沿回采工作面铺设在液压支架后部运输溜子靠采空区侧，在放顶清理浮煤后进行铺设工作。

3.3 工作面测点布置

由于液压支架排列较紧密，才空区无法铺设管路，测点只能布置在机风巷位置。铺设方法：将2吋无缝钢管截成每根4m长，两端焊接快速接头，套管沿两部架子之间的空隙放入架后的空间，再将束管管缆和测温导线一齐穿入套管内，套管之间用快速接头连接牢固，采样器探头部位用坑木加以保护。

3.4 采空区“三带”实测与分析

1）测定时间。正常情况下每日测取一次温度和气体成份数据，早班入井测定。若有异常，则根据具体情况而定，可在异常测点每日测取2-3次数据。通过束管系统直接抽取气样送入气相色谱仪分析并每日测定温度一次，从而得出随工作面推进采空区的温度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等重烃气体的浓度变化规律。2）考察内容。在煤矿正常回采通风的条件下，进行回采工作面的煤氧化温度及气体成份规律、煤炭氧化自燃“三带”及煤炭氧化自然规律考查。3）记录每日工作面的推进速度，以便推算测点距工作面的距离。

4 结束语

论文围绕采空区自燃“三带”划分，简单介绍了划分的方法和内容，将对我矿采空区自燃“三带”划分项目实施有指导作用。